數值模擬結合實驗驗證克服鑄件疏松缺陷

胡興業+劉洪匯+張永

摘要：針對大型鑊合金（137 kg）主機匣鑄件法蘭邊的疏松缺陷，采用數值模擬結合實驗驗證的方法，研究了冒口種類和冷鐵結構對主機匣法蘭邊內部疏松缺陷的變化規律，從補縮凝固角度分析了產生缺陷的原因，給出了解決缺陷的基本思路。結果表明：對于模數為1.3 cm的法蘭邊，分散布置φ50 mm的保溫冒口，在其中間放置厚度為（1.5～2.0）倍法蘭邊厚度的冷鐵，對冒口頸加R角，可使得ZM6合金液在保溫冒口中形成模數變化梯度，保證補縮通道通暢，消除法蘭邊內部的疏松缺陷。

關鍵詞：鎂合金；疏松；保溫冒口

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.017

中圖分類號：TG249.2 文獻標志碼：A 文章編號：1007—2683（2016）03—0087—04

0引言

鎂合金因其高比強度、高比剛度、高阻尼性能和優異的切削性能，在航空裝備制造領域得到越來越多的應用，尤其是直升機或飛機傳動系統的機匣殼體類鑄件多為鎂合金。其中做為8 t級直升機的主減速器機匣，材質為ZM6，鑄件重量為137 kg。鑄造方法為砂型重力鑄造，鑄件高度達846 mm。對于澆注如此高的ZM6鑄件，采用原始的隨形冒口。往往在冒口根部的法蘭內部易產生疏松缺陷。

關于鎂合金鑄件缺陷的克服，國內外學者已進行了大量研究工作，從熔體處理、澆注工藝參數、熱處理等工序人手，運用數值模擬和實驗驗證方法進行了研究，但缺少在真實鑄件上應用的實例。

在此基礎上，本文以8 t級直升機的主減速器機匣為例，針對原冒口下方易產生的疏松缺陷，提出一種新方案，旨在節約合金液用量，并減少過多合金液流經鑄件對其產生的過熱影響。新方案將采用分散式保溫冒口，保溫冒口之間放置冷鐵，得到修改后的鑄件及其澆注系統的3D數模。利用Magma5.2數值模擬軟件，對修改后的3D數模進行數值模擬，然后自組裝測溫系統對數值模擬結果進行實驗驗證。

1研究方法與過程

1.1合金材料

主機匣材質為ZM6合金，見表1。圖1所示為ZM6的實測DSC曲線，利用切線法標定出其凝固溫度范圍為（580～656）℃。

1.2研究方法

利用Magma5.2對主機匣上法蘭邊的新方案進行數值模擬，根據數值模擬結果分析新方案的合理性，修理模具投產，再進行射線探傷驗證。

1.3研究過程

如圖2為實驗研究過程，針對現有主機匣隨形常規冒口根部法蘭內部的疏松問題，制定分散式保溫冒口配合冷鐵的模具修理方案，然后對新方案進行數值模擬，后對數值模擬結果進行溫度場實驗驗證，最終確定模具修理方案。

2結果與分析

2.1新方案的提出

如圖3（a）所示，為原主機匣的頂冒口結構，冒口截面相似于法蘭邊形狀，在相鄰的冒口之間設置小冷鐵。這種結構在投產過程中，在冒口根部的法蘭邊內部易產生疏松缺陷，如圖4所示。圖中圈選區域由X光檢驗人員給出，由于X光底片在文中不便顯示，此不贅述。

基于此，提出修改方案，即用外圍的分散式保溫冒口配合冷鐵使用代替原冒口，并在其保溫冒口的頸部加R角，見圖3（b）。

2.2新方案數值模擬結果

如圖5所示，使用Foseco的φ50 mm的保溫冒口套。圖6為上法蘭邊的疏松傾向模擬結果，結果表明在分散保溫冒口和冷下方的法蘭邊內部，沒有疏松形成傾向。法蘭邊在沒有澆注系統時，模數為1.3 cm。如圖7所示，通過對它們的模數分析可以看出，保溫冒口之間的厚大的冷鐵（厚度為1.5～2.0倍的法蘭邊厚度），在冷鐵貼合部位和保溫冒口頸之間形成了良好的模數變化梯度，即在凝固時間上保證了順序凝固原則。

圖8為保溫冒口內部模數變化的剖面圖，易看出，從冒口→冒口頸→鑄件方向上，保持逐漸減小的變化趨勢，見黃色高亮顯示的數值。

因此，在保溫冒口內部沿重力方向向下直至要補縮的鑄件區域，必須形成良好的模數變化梯度，才能有效地形成順序凝固，即被補縮的鑄件先凝固，補縮的保溫冒口后凝固。在保溫冒口間布置的厚大冷鐵，有助于加強這種模數變化梯度的形成，并延長補縮距離。

眾所周知，絕大多數合金材料在鑄造過程中，由于發生固/液相變，導致材料密度發生變化，在凝固階段和后續的冷卻階段引起體積收縮。如果這部分體積收縮量，得不到補縮來源（通常條件下是冒口）的補充或補償（該過程稱之為補縮），則會引起合金材料形成疏松、縮孔等鑄造缺陷。若想消除疏松、縮孔缺陷，則必須保證缺陷位置處得到良好的補縮。

由于鑄件的任意部位都是經歷固液相變和降溫冷卻的，因此鑄件的任意部位都需要進行有效補縮。補縮的必要條件是，冒口的模數應大于被補縮鑄件位置的模數。因為依據鑄件平方根定律，模數大意味著凝固時間長，這是保證冒口的凝固時間要比鑄件長，是鑄件被補縮的前提條件或者稱為熱力學條件，值得強調的是，盡量形成冒口→冒口頸→鑄件方向上的較大模數變化梯度，以保證形成順序凝固。其次，在被補縮位置至冒口的路徑上，應確保補縮通道通暢，不應存在激冷源等斷開補縮通道，這是鑄件被補縮的充分條件或者稱為動力學條件。

從圖8（b）可以看到，新方案使用模數較大的保溫冒口并配合厚度較大的冷鐵，能夠在保溫冒口至缺陷位置處，形成較大的模數變化梯度，為形成順序凝固創造了必要條件。而且補縮通道是通暢的，因此疏松位置被保溫冒口進行了充分地補縮，疏松缺陷得以克服。

3結論

通過對新方案進行的數值模擬和實驗驗證，分散式保溫冒口配合冷鐵的使用和冒口頸加R角具有以下優勢：

1）能夠在冒口→冒口頸→+鑄件方向上，形成良好的模數下降梯度，是保證鑄件的補縮通道通暢的必要條件；

2）當冷鐵選定為1.5～2.0倍的法蘭邊厚度時，可保證冷鐵貼合部位至保溫冒口頸部區域內形成有效的順序凝固；

3）冒口頸所加的R角，可保證冒口和鑄件轉接部位等溫線變化均勻，有利于冒口橫向補縮冒口頸附件區域的鑄件；

4）后續的射線探傷結果表明，新方案可消除主機匣上法蘭邊內部的疏松缺陷，但有時會有不固定位置的夾渣缺陷，原因是保溫冒口因其體積小，不利于鎂合金充型時的排渣。